Tepelný motor: definícia, typy a príklady

Tepelné motory sú všade okolo vás. Od auta, ktoré odveziete až po chladničku, ktorá udržuje vaše jedlo v chlade, až po vykurovacie a chladiace systémy vášho domu - všetky fungujú na rovnakých kľúčových princípoch.

Cieľom každého tepelného motora je premeniť tepelnú energiu na užitočnú prácu a môžete na to použiť veľa rôznych prístupov. Jednou z najjednoduchších foriem tepelného motora je Carnotov motor, pomenovaný podľa francúzskeho fyzika Nicolasa Leonard Sadi Carnot, postavený na idealizovanom štvorstupňovom procese, ktorý závisí od adiabatického a izotermického etapy.

Ale Carnotov motor je len jedným príkladom tepelného motora a mnoho ďalších typov dosahuje rovnaký základný cieľ. Pre každého, kto študuje termodynamiku, je dôležité dozvedieť sa, ako fungujú tepelné motory a ako robiť výpočty účinnosti tepelného motora.

Čo je tepelný motor?

Tepelný motor je termodynamický systém, ktorý premieňa tepelnú energiu na mechanickú. Aj keď do tejto všeobecnej položky patrí veľa rôznych dizajnov, v každom tepelnom motore sa nachádza niekoľko základných komponentov.

Akýkoľvek tepelný motor potrebuje tepelný kúpeľ alebo vysokoteplotný zdroj tepla, ktorý môže mať rôzne formy (napríklad jadrový reaktor je zdrojom tepla v jadrovej elektrárni, ale v mnohých prípadoch sa ako teplo používa spaľujúce palivo zdroj). Ďalej tu musí byť chladiaci zásobník s nízkou teplotou, ako aj samotný motor, ktorým je zvyčajne plyn, ktorý sa pri pôsobení tepla rozpína.

Motor absorbuje teplo z horúceho zásobníka a rozširuje sa. Tento proces rozširovania funguje na životnom prostredí, zvyčajne je využitý v použiteľnej forme s piestom. Systém potom uvoľňuje tepelnú energiu späť do studeného zásobníka a vracia sa do pôvodného stavu. Tento proces sa potom opakuje stále dokola cyklickým spôsobom, aby sa neustále generovala užitočná práca.

Typy tepelného motora

Termodynamické cykly alebo cykly motora sú všeobecným spôsobom na opísanie mnohých špecifických termodynamických systémov, ktoré pracujú cyklickým spôsobom spoločným pre väčšinu tepelných motorov. Najjednoduchším príkladom tepelného motora pracujúceho s termodynamickými cyklami je Carnotov motor alebo motor pracujúci na základe Carnotovho cyklu. Toto je idealizovaná forma tepelného motora, ktorá zahŕňa iba reverzibilné procesy, najmä adiabatickú a izotermickú kompresiu a expanziu.

Všetky spaľovacie motory pracujú na Ottovom cykle, čo je ďalší typ termodynamického cyklu, ktorý využíva zapaľovanie paliva na prácu na pieste. V prvom stupni piest klesá, aby vtiahol zmes paliva a vzduchu do motora, ktorá sa potom v druhom stupni adiabaticky stlačí a v treťom sa zapáli.

Dochádza k rýchlemu zvýšeniu teploty a tlaku, ktoré pôsobí na piest adiabatickou expanziou predtým, ako sa otvorí výfukový ventil, čo vedie k zníženiu tlaku. Nakoniec sa piest zdvihne, aby vyčistil vyčerpané plyny a dokončil cyklus motora.

Ďalším typom tepelného motora je Stirlingov motor, ktorý obsahuje fixné množstvo plynu, ktoré sa pohybuje medzi dvoma rôznymi valcami v rôznych fázach procesu. Prvý stupeň spočíva v zahrievaní plynu na zvýšenie teploty a na vytvorenie vysokého tlaku, ktorý pohybuje piestom, aby poskytoval užitočnú prácu.

Piest potom stúpa späť hore a tlačí plyn do druhého valca, kde je chladený chladom pred opätovnou kompresiou proces vyžadujúci menej práce, ako bol vyrobený v predchádzajúcom etapa. Nakoniec sa plyn presunie späť do pôvodnej komory, kde sa opakuje cyklus Stirlingovho motora.

 Účinnosť tepelných motorov

Účinnosť tepelného motora je pomer užitočného pracovného výkonu k vstupu tepla alebo tepelnej energie a výsledkom je vždy hodnota medzi 0 a 1, bez jednotiek, pretože sa meria tepelná energia aj pracovný výkon joulov. To znamená, že ak ste maliperfektné- tepelný motor, mal by účinnosť 1 a premenil by všetku tepelnú energiu na využiteľnú prácu a - keby sa jej podarilo previesť polovicu, účinnosť by bola 0,5. V základnej forme môže byť vzorec napísané:

\ text {Účinnosť} = \ frac {\ text {Práca}} {\ text {Tepelná energia}}

Je samozrejme nemožné, aby tepelný motor mal účinnosť 1, pretože druhý zákon termodynamiky diktuje, že akýkoľvek uzavretý systém bude časom narastať entropia. Aj keď existuje presná matematická definícia entropie, pomocou ktorej to môžete pochopiť, je to najjednoduchší spôsob myslite na to, že inherentná neefektívnosť každého procesu vedie k určitým stratám energie, zvyčajne vo forme odpadu teplo. Napríklad piest motora bude mať nepochybne určité trenie, ktoré bude pôsobiť proti jeho pohybu, čo znamená, že systém stratí energiu v procese premeny tepla na prácu.

Teoretická maximálna účinnosť tepelného motora sa nazýva Carnotova účinnosť. Rovnica sa týka teploty horúceho zásobníkaTH a studený rezervoárTC. k účinnosti (η) motora.

η = 1 - \ frac {T_C} {T_H}

Výsledok môžete vynásobiť číslom 100, ak chcete odpoveď vyjadriť v percentách. Je dôležité mať na pamäti, že toto jeteoretickýmaximum - je nepravdepodobné, že akýkoľvek motor v reálnom svete skutočne priblíži Carnotovu účinnosť v praxi.

Je dôležité si uvedomiť, že maximalizujete účinnosť tepelných motorov zväčšením rozdielu teplôt medzi horúcim zásobníkom a studeným zásobníkom. Pre automobilový motor,TH je teplota plynov vo vnútri motora pri horení aTC. je teplota, pri ktorej sú vytlačené z motora.

Príklady zo skutočného sveta - parný stroj

Parný stroj a parné turbíny sú dva z najznámejších príkladov tepelného motora a vynález parného stroja bol dôležitou historickou udalosťou v industrializácii spoločnosti. Parný stroj pracuje veľmi podobným spôsobom ako ostatné tepelné motory, o ktorých sa diskutuje doteraz: kotol premieňa vodu na paru, ktorá sa posiela do valca obsahujúceho piest, a vysoký tlak pary pohybuje valec.

Para prenáša časť tepelnej energie do valca, čím sa ochladzuje a potom, keď je piest úplne vytlačený, zostávajúca para je z valca vypustená. V tomto okamihu sa piest vráti do svojej pôvodnej polohy (niekedy je para vedená okolo druhého) strane piestu, aby ho mohol zatlačiť aj naspäť) a termodynamický cyklus sa začína odznova s ​​väčším množstvom pary.

Táto relatívne jednoduchá konštrukcia umožňuje vyrobiť veľké množstvo užitočnej práce z čohokoľvek, čo dokáže vrieť vodu. Účinnosť tepelného motora s touto konštrukciou závisí od rozdielu medzi teplotou pary a teplotou okolitého vzduchu. Parná lokomotíva využíva prácu vytvorenú týmto procesom na točenie kolies a poháňanie vlaku.

Parná turbína pracuje veľmi podobným spôsobom, s výnimkou práce zameranej na otáčanie turbíny namiesto pohybu piestu. Toto je obzvlášť užitočný spôsob výroby elektriny z dôvodu rotačného pohybu generovaného parou.

Príklady zo skutočného sveta - spaľovací motor

Spaľovací motor pracuje na základe Otovho cyklu opísaného vyššie, pričom zážihové motory sa používajú pre benzínové motory a vznetové motory pre dieselové motory. Hlavný rozdiel medzi nimi je v spôsobe zapaľovania zmesi paliva a vzduchu, pri ktorom sa zmes paliva a vzduchu komprimuje a potom sa fyzicky zapáli v benzínových motoroch a palivo sa rozprašuje do stlačeného vzduchu v naftových motoroch, čo spôsobí jeho vznietenie z teplota.

Okrem toho sa zvyšok Ottovho cyklu dokončí, ako už bolo opísané: Palivo sa natiahne do motora (alebo len vzduch na nafta), stlačený, zapálený (iskrou paliva a striekaním paliva do horúceho stlačeného vzduchu na naftu), čo umožňuje použiteľnú prácu na piest adiabatickou expanziou, potom sa otvorí výfukový ventil na zníženie tlaku a piest vytlačí použitý plyn.

Príklady zo skutočného sveta - tepelné čerpadlá, klimatizácie a chladničky

Tepelné čerpadlá, klimatizácia a chladničky tiež pracujú na určitej forme tepelného cyklu, aj keď majú iný cieľ - pomocou práce skôr pohybovať tepelnou energiou ako naopak. Napríklad v cykle ohrevu tepelného čerpadla chladivo absorbuje teplo z vonkajšieho vzduchu kvôli svojej nižšej teplote (pretože teplovždyprúdi z horúceho do studeného) a potom sa pretláča cez kompresor, aby zvýšil svoj tlak a tým aj teplotu.

Tento teplejší vzduch sa potom vedie do kondenzátora v blízkosti miestnosti, ktorá sa má vykurovať, kde rovnaký proces prenáša teplo do miestnosti. Nakoniec sa chladivo presunie do ventilu, ktorý znižuje tlak, a tým aj teplotu, pripravené na ďalší vykurovací cyklus.

V chladiacom cykle (ako v klimatizačnej jednotke alebo chladničke) proces prebieha v podstate opačne. Chladivo absorbuje tepelnú energiu z miestnosti (alebo vo vnútri chladničky), pretože je udržiavané na studená teplota a potom sa pretlačí cez kompresor, aby sa zvýšil tlak a teplota.

V tomto okamihu sa pohybuje do vonkajšej časti miestnosti (alebo do zadnej časti chladničky), kde sa tepelná energia prenáša na chladnejší vonkajší vzduch (alebo do okolitej miestnosti). Chladivo sa potom pošle cez ventil na zníženie tlaku a teploty a odčíta sa pre ďalší vykurovací cyklus.

Pretože cieľ týchto procesov je protikladom príkladov motorov, líši sa aj výraz účinnosti tepelného čerpadla alebo chladničky. Je to však dosť predvídateľné vo forme. Na vykurovanie:

η = \ frac {Q_H} {W_ {in}}

A na chladenie:

η = \ frac {Q_C} {W_ {in}}

KdeQpojmy sú pre tepelnú energiu presunutú do miestnosti (s dolným indexom H) a presunutú z nej (s dolným indexom C) aŽv je pracovný vstup do systému vo forme elektriny. Táto hodnota je opäť bezrozmerné číslo od 0 do 1, ale ak chcete, môžete výsledok vynásobiť číslom 100 a získať tak percento.

Príklad zo skutočného sveta - elektrárne alebo elektrárne

Elektrárne alebo elektrárne sú skutočne iba ďalšou formou tepelného motora, či už vytvárajú teplo pomocou jadrového reaktora alebo spaľovaním paliva. Zdroj tepla sa používa na pohyb turbín a tým na vykonávanie mechanických prác. Často sa pomocou pary z ohriatej vody roztočí parná turbína, ktorá vyššie opísaným spôsobom vyrába elektrinu. Použitý presný tepelný cyklus sa môže u jednotlivých elektrární líšiť, ale bežne sa používa Rankinov cyklus.

Rankinov cyklus začína tým, že zdroj tepla zvýši teplotu vody, potom expanzia vodnej pary v a turbína, po ktorej nasleduje kondenzácia v kondenzátore (uvoľnenie odpadového tepla z procesu) predtým, ako ochladená voda prejde do čerpadlo. Čerpadlo zvyšuje tlak vody a pripravuje ju na ďalšie ohrievanie.

  • Zdieľam
instagram viewer